Rahvusvaheline teadlaste meeskond on juba aastaid varjanud end sügaval Kesk-Itaalias asuva mäe all, kogudes väsimatult teadaoleva universumi kõige külmema kuupmeetri kõige tundlikumaid mõõtmisi. Teadlased otsivad tõendeid selle kohta, et kummituslikud osakesed, mida nimetatakse neutriinodeks, on eristamatud nende enda antimaterjalist. Kui see tõestatakse, võib see avastus lahendada kosmilise mõtteviisi, mis on aastakümneid füüsikuid vaevanud: miks mateeria üldse olemas on?
Nad on juba ammu teadnud, et mateerial on kuri kaksik, mida nimetatakse antimaterjaliks. Kõigi universaalsete osakeste jaoks on olemas osake, mis on peaaegu identne õde-vennaga, sama massiga, kuid vastupidise laenguga. Kui osake ja antiosake kohtuvad näost näkku, hävitavad nad üksteise, luues puhta energia.
"Meil on mateeria ja antimaterjali vahel selline näiline raamatupidamise täielik sümmeetria," rääkis Virginia Tehnikaülikooli füüsikaprofessor Thomas O'Donnell Live Science'ile. "Iga kord, kui valmistate mõne asja, siis teete ka tasakaalustava antimaterjalitüki ja iga kord, kui hävitate mõne aine, peate hävitama mõne antimaterjali. Kui see on tõsi, ei saa te kunagi olla ühte tüüpi kui teine. "
See sümmeetria on vastuolus meie praeguse arusaamaga universumi alguse kohta. Suure Paugu teooria kohaselt arvati, et kui universum laienes lõpmatuseni ainsusest umbes 13,8 miljardit aastat tagasi, tekkis aine ja antimaterjal võrdsetes kogustes. Kuid kui astronoomid vaatavad tänapäeval kosmose poole, koosneb universum peaaegu täielikult ainest ja tema silmis pole ühtegi kurja kaksikut. Rohkem muret tekitav, kui Suure Paugu teooria on õige, siis ei peaks me - jah, inimesed - täna siin olema.
"Kui mateeria ja antimaterjal järgivad seda sümmeetriat täielikult, siis oleks kosmose arenedes kogu aine ja antimaterjal footoniteks hävinud ja tähtede, planeetide või isegi inimrakkude jaoks ei jääks muud üle. Meid poleks olemas!" Ütles O'Donnell. "Suur küsimus on siis järgmine:" Kas see raamatupidamisskeem purunes millalgi universumi arengu käigus? ""
Sellele küsimusele loodavad O'Donnell ja kaastöötajad vastata. Viimase kahe aasta jooksul on nende meeskond kogunud ja analüüsinud andmeid CUORE (krüogeense maa-aluse vaatluskeskuse haruldaste sündmuste jaoks) eksperimendist Itaalias Gran Sasso riiklikus laboris, otsides suitsetamispüstolit, mis paneks selle kosmilise müsteeriumi puhkama.
Väikesed neutraalsed
CUORE, mis itaalia keeles tähendab "süda", otsib tõendeid selle kohta, et tabamatud subatomaalsed osakesed, mida nimetatakse neutriinodeks, on nende endi osakesteks, mida füüsikud nimetavad majorana osakesteks. Neutrinoid, mis läbivad nagu spektrid suurema osa mateeriast, on äärmiselt raske tuvastada. Tegelikult läbivad NASA andmetel igal sekundil meie kehasid triljoneid meie päikese tulisest tuumahjust pärit neutriine.
CUORE eksperiment otsib Majorana neutriinode signaali, mis hävitavad üksteist protsessis, mida nimetatakse neutriinovabaks topelt-beeta lagunemiseks. Tavalise topelt-beeta lagunemise käigus morfoneeruvad kaks aatomi tuumas olevat neutronit samaaegselt kaheks prootoniks, eraldades elektronide paari ja antineutrinosid. Seda tuumasündmust, mis on äärmiselt haruldane ja mis juhtub üksiku aatomi kohta vaid kord 100 kvintilliona (10 ^ 20) aasta jooksul, on reaalses elus täheldatud.
Kui aga teadlased on õiged ja neutriinod on tõelised majoraani osakesed (need on nende enda osakesed), siis võiksid lagunemise käigus tekkinud kaks antineutrinoid üksteist hävitada ja tekitada neutriinovaba topelt-beeta lagunemise. Tulemus? Lihtsalt elektronid, mis on "tavaline mateeria". Kui see protsess osutub tõeks, võib see olla vastutav varase universumi külvamise eest tavalise ainega. Selle protsessi jälgimine on aga teine lugu. Teadlaste hinnangul võib neutriinovaba topelt-beeta lagunemine (kui see üldse eksisteerib) toimuda üks kord iga kümne seitsmeaastase aasta jooksul (10 ^ 25).
"Neutrinoless režiim on see, mida me tõesti näha tahame, see rikuks reegleid, luues mateeria ilma antimaterjalita," ütles O'Donnell, kes on CUORE koostöö liige. "See oleks esimene vihje mateeria ja antimaterjali asümmeetria reaalsele lahendusele."
CUORE-detektor otsib telluuri aatomite radioaktiivse lagunemise käigus tekkivatest elektronidest soojusenergia signaali. Neutrinoless topelt-beeta lagunemine jätaks elektronide energiaspektris ainulaadse ja eristatava piigi.
"CUORE on sisuliselt üks maailma tundlikumaid termomeetreid," ütles CUORE koostöö tehniline koordinaator Carlo Bucci avalduses.
Kümne aasta jooksul kokku pandud instrument CUORE on teadaoleva universumi külmem kuupmeeter. See koosneb 988 kuubikujulisest telluurioksiidist valmistatud kristallist, mis on jahutatud temperatuurini 10 milli-kelvini ehk miinus 460 kraadi Fahrenheiti (miinus 273 kraadi Celsiuse järgi), seda võimaldavad vaid füüsikalistest temperatuuridest kõrgeimad juuksed. Kaitsmaks eksperimenti väliste osakeste, näiteks kosmiliste kiirte tekitatud häirete eest, on detektor ümbritsetud paksu kihina ülipuhta pliiga, mis on saadud 2000-aastaselt Rooma laevavrakilt.
Vaatamata meeskonna tehnoloogilistele saavutustele pole neutriinovaba sündmuse leidmine osutunud lihtsaks ülesandeks. Teadlased on alates 2017. aasta esialgsetest tulemustest kogunud andmeid enam kui neljakordistanud, moodustades kõigi aegade suurima sellist tüüpi osakestetektoriga kogutud andmekogumi. Nende viimased tulemused, mis on avaldatud eelprintimise andmebaasis arXiv, näitavad, et nad ei leidnud mingeid tõendeid neutriinovaba topelt-beeta lagunemise kohta.
Koostöö on ikka veel otsustatud selle tabamatu kaheagentse osakese jahtimiseks. Nende tulemused on pannud tihedama seose Majorana neutriino eeldatava massiga, mis on nende arvates vähemalt viis miljonit korda kergem kui elektron. Meeskonnal on kavas CUORE versiooniuuendus pärast selle esialgset viieaastast läbimist, tutvustades uut tüüpi kristalle, mis loodetavasti parandavad selle tundlikkust tunduvalt.
"Kui ajalugu on hea tuleviku ennustaja, siis võime olla üsna kindlad, et detektoritehnoloogiate ümbriku lükkamine võimaldab meil kontrollida pidevalt kasvava sügavusega neutriinoid," sõnas O'Donnell. "Loodetavasti avastame neutriinovaba topelt-beeta lagunemise või ehk midagi eksootilisemat ja ootamatumat."
